氧化物掺杂的钪锆粉体及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化物掺杂的钪锆粉体及其制备方法。该方法包括以下步骤：S1，将含钪含锆溶液和掺杂金属氧化物的酸溶液混合，得到钪锆混合溶液；其中掺杂金属氧化物中的金属元素为除了钪元素以外的稀土元素、碱土金属元素、铝元素和铋元素中的一种或多种；S2，向钪锆混合溶液中加入沉淀剂调节体系pH至7～11进行沉淀反应，得到钪锆前驱体溶液；S3，将钪锆前驱体溶液进行过滤，得到沉淀物；然后依次对沉淀物进行洗涤、干燥，得到钪锆前驱体；S4，煅烧钪锆前驱体，得到氧化物掺杂的钪锆粉体。利用本发明专利技术的制备方法，有效解决了现有技术中制备的钪锆粉体相结构稳定性不足的问题，得到了一种主体相为立方相的氧化物掺杂的钪锆粉体。

Oxide doped scandium zirconium powder and its preparation

【技术实现步骤摘要】
氧化物掺杂的钪锆粉体及其制备方法
本专利技术涉及固体电解质材料
，具体而言，涉及一种氧化物掺杂的钪锆粉体及其制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)从技术层面上属于第三代燃料电池，是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接高效转化成电能的全固态新型发电装置，具有能量转换率高、燃料适应性强和环境友好等优点，越来越受到人们的广泛关注，具有广阔的应用前景。SOFC技术在发达国家已实现产业化，如美国的BloomEnergy公司，但在我国，SOFC的发展与欧美发达国家还有一定的差距。SOFC的核心部件是固体电解质。目前，绝大多数SOFC均以6～10％的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为固体电解质，它在高温下(～1000℃)具有高的氧离子电导率，但没有电子电导率，且还具有高化学和物理稳定性、高的机械强度、高热稳定性、与其他电池组件很低的化学反应性、易加工性和适中的价格等。但YSZ材料也具有一定的局限性，以YSZ为电解质的SOFC的工作温度一般在1000℃或者更高，这不仅增加了SOFC投资和生产成本，而且带来了其稳定性问题，如连接板的氧化、密封失效、电极毒化等，影响着电池堆的整体寿命，阻碍了实际应用。因此将工作温度降至中温(500～800℃)是目前SOFC发展的大势所趋。然而，降低工作温度会降低电解质的离子电导率，无法满足中低温工作的需要。氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)是目前锆基固体电解质中离子电导率最高的电解质材料，也可称为钪锆粉体，在800℃下电导率约为0.12S·cm-1，为YSZ电导率的2倍，因此，在很大程度上可以解决YSZ在中温情况下电解质电导率低的缺点。而且，其与YSZ同属氧化锆基材料，具有近似的化学性能和高温性能，便于选用配套的电极材料，从而能在不改变现有工艺制备条件下替代YSZ电解质，成为中温SOFC的首选电解质。目前钪锆粉体的制备方法主要有固相粉碎法、水热法、溶胶-凝胶法和共沉淀法。固相粉碎法工艺简单、生产过程污染少、填充性好、成本低、易大规模生产，但会造成粉料的污染，球磨后的粒度相对较大。水热法具有产品纯度高、结晶度高、粉体粒径均一和烧结性能好等优点，但通常对设备要求高、操作复杂、能耗较大，不适于产业化。溶胶-凝胶法可以在较短的时间内获得分子水平的均匀性，实现分子水平上的均匀掺杂，但溶胶-凝胶法所需原料价格昂贵，一般需要使用有机溶剂对人体有一定的毒性，易板结。共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分均一的沉淀，该法具有制备工艺简单、成本低和易于产业化等优点，成为大部分生产企业首选方法。然而，目前钪锆粉体在室温下很难获得全稳定的立方相，多数合成的钪锆粉体常伴随着四方相、菱方相等杂相，从而影响电解质结构以及导电性能。基于以上原因，有必要提供一种新的钪锆粉体制备工艺，以提高其稳定立方相的占比，减少四方相、菱方相等杂相的占比。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种氧化物掺杂的钪锆粉体及其制备方法，以解决现有技术中制备的钪锆粉体相结构稳定性不足的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种氧化物掺杂的钪锆粉体的制备方法，其包括以下步骤：S1，将含钪含锆溶液和掺杂金属氧化物的酸溶液混合，得到钪锆混合溶液；其中掺杂金属氧化物中的金属元素为除了钪元素以外的稀土元素、碱土金属元素、铝元素和铋元素中的一种或多种；S2，向钪锆混合溶液中加入沉淀剂调节体系pH至7～11进行沉淀反应，得到钪锆前驱体溶液；S3，将钪锆前驱体溶液进行过滤，得到沉淀物；然后依次对沉淀物进行洗涤、干燥，得到钪锆前驱体；S4，煅烧钪锆前驱体，得到氧化物掺杂的钪锆粉体。进一步地，掺杂金属氧化物为氧化铈、氧化钇、氧化镱、氧化铋和氧化铝中的一种或多种。进一步地，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为0.01～2mol/L，优选为0.1～1mol/L。进一步地，步骤S1中，同时向体系中加入分散剂以得到钪锆混合溶液，其中分散剂为聚烯醇类高分子聚合物、聚烯醇的铵盐、聚多元醇类高分子聚合物、聚烯酸类高分子聚合物、聚烯酸的铵盐、C2至C6的一元脂肪醇中的一种或多种；优选地，聚烯醇类高分子聚合物为聚乙烯醇和/或聚丙烯醇；聚烯醇的铵盐为聚乙烯醇铵和/或聚丙烯醇铵；聚多元醇类高分子聚合物为聚乙二醇、聚丁二醇中的一种或多种；聚烯酸类高分子聚合物为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙基丙烯酸中的一种或多种；聚烯酸的铵盐为聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、聚乙基丙烯酸铵中的一种或多种；C2至C6的一元脂肪醇为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇中的一种或多种；更优选地，分散剂为聚乙烯醇、聚丙烯醇铵、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、乙醇、丙醇中的一种或多种。进一步地，钪锆混合溶液中，相对于钪离子、锆离子、掺杂金属氧化物对应的金属离子的总摩尔数而言，钪离子的摩尔数占比为8～13％，掺杂金属氧化物对应的金属离子的摩尔数为0.5～5％；优选地，分散剂的加入量为含钪含锆溶液溶质总重量的1～10％；更优选地，钪锆混合溶液中，相对于钪离子、锆离子、掺杂金属氧化物对应的金属离子的总摩尔数而言，钪离子的摩尔数占比为8.5～12％，掺杂金属氧化物对应的金属离子的摩尔数为0.7～3％；分散剂的加入量为含钪含锆溶液溶质总重量的2～9％。进一步地，含钪含锆溶液为含钪溶液和含锆溶液混合而成，含钪溶液为氯化钪或硝酸钪的水溶液；含锆溶液为氯化锆、硝酸锆、氧氯化锆或硝酸氧锆的水溶液。进一步地，沉淀剂为氨水、碳酸氢铵、氢氧化钠、尿素中的一种或多种。进一步地，步骤S2中，沉淀反应的温度为30～95℃，搅拌速度为100～2000r/min。进一步地，步骤S4中，煅烧钪锆前驱体的过程中，煅烧温度为600～1200℃，煅烧时间为1～10h；优选地，洗涤过程包括依次进行的水洗和醇洗，更优选采用的是酒精；优选地，干燥过程中的干燥温度为80～200℃。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种上述制备方法制备得到的氧化物掺杂的钪锆粉体。本专利技术制备了一种氧化物掺杂的钪锆粉体，具体是在共沉淀步骤之前在含钪含锆溶液中加入了掺杂金属氧化物的酸溶液，经过共沉淀后，掺杂金属离子、钪离子和锆离子均转化为沉淀。再经煅烧，沉淀物形成了掺杂金属氧化物、氧化钪和氧化锆复合粉体。采用的掺杂金属氧化物中的金属元素为除了钪元素以外的稀土元素、碱土金属元素、铝元素和铋元素中的一种或多种，这些金属元素的离子半径与锆离子半径相近，通过向ZrO2中掺杂氧化钪和除钪以外的稀土氧化物或者氧化铝、氧化铋等，可与Zr4+形成立方相固溶体，并使其从室温到高温都为立方相，进入其晶格中会引起一定的晶格畸变，增加氧空位，改进其氧离子电导性能。同时用一些稀土氧化物或者氧化铝、氧化铋等来代替部分氧化钪，可以降低燃料电池的成本。总之，利用本专利技术的制备方法，有效解决了现有技术中制备的钪锆粉体相结构稳定性不足的问题，得到了一种主体相为立方相的氧化物掺杂的钪锆粉体。附图说明构成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化物掺杂的钪锆粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，将含钪含锆溶液和掺杂金属氧化物的酸溶液混合，得到钪锆混合溶液；其中所述掺杂金属氧化物中的金属元素为除了钪元素以外的稀土元素、碱土金属元素、铝元素和铋元素中的一种或多种；/nS2，向所述钪锆混合溶液中加入沉淀剂调节体系pH至7～11进行沉淀反应，得到钪锆前驱体溶液；/nS3，将所述钪锆前驱体溶液进行过滤，得到沉淀物；然后依次对所述沉淀物进行洗涤、干燥，得到钪锆前驱体；/nS4，煅烧所述钪锆前驱体，得到所述氧化物掺杂的钪锆粉体。/n

【技术特征摘要】
1.一种氧化物掺杂的钪锆粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将含钪含锆溶液和掺杂金属氧化物的酸溶液混合，得到钪锆混合溶液；其中所述掺杂金属氧化物中的金属元素为除了钪元素以外的稀土元素、碱土金属元素、铝元素和铋元素中的一种或多种；
S2，向所述钪锆混合溶液中加入沉淀剂调节体系pH至7～11进行沉淀反应，得到钪锆前驱体溶液；
S3，将所述钪锆前驱体溶液进行过滤，得到沉淀物；然后依次对所述沉淀物进行洗涤、干燥，得到钪锆前驱体；
S4，煅烧所述钪锆前驱体，得到所述氧化物掺杂的钪锆粉体。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂金属氧化物为氧化铈、氧化钇、氧化镱、氧化铋和氧化铝中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钪锆混合溶液中的阳离子浓度为0.01～2mol/L，优选为0.1～1mol/L。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，同时向体系中加入分散剂以得到所述钪锆混合溶液，其中所述分散剂为聚烯醇类高分子聚合物、聚烯醇的铵盐、聚多元醇类高分子聚合物、聚烯酸类高分子聚合物、聚烯酸的铵盐、C2至C6的一元脂肪醇中的一种或多种；
优选地，所述聚烯醇类高分子聚合物为聚乙烯醇和/或聚丙烯醇；所述聚烯醇的铵盐为聚乙烯醇铵和/或聚丙烯醇铵；所述聚多元醇类高分子聚合物为聚乙二醇、聚丁二醇中的一种或多种；所述聚烯酸类高分子聚合物为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙基丙烯酸中的一种或多种；所述聚烯酸的铵盐为聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、聚乙基丙烯酸铵中的一种或多种；所述C2至C6的一元脂肪醇为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇中的一种或多种；
更优选地，所述分散剂为聚乙烯醇、聚丙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓艳，付国燕，王玮玮，刘召波，杜尚超，李诺，
申请(专利权)人：中国恩菲工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11